频率分集阵列天线理论与系统设计关键技术研究

Compared with conventional phased array, the spatial electromagnetic distribution of frequency diverse array (FDA) is more complicated, mainly in that its beampattern is not only range-angle-dependent but also changes with respect to time. The astable beampattern induced by the time-variant characteristic increases the complexity in system control and signal processing. At the same time, FDA also faces more severe coupling problem, which not only includes the isolation problem among array elements, but also the cross mutual coupling of different operation frequencies among the transmit antenna components..Focused on the scientific problems of FDAs, namely the complicated description of its spatial electromagnetic distribution, the difficulty in beampattern control and synthesis and the severe mutual coupling among array elements, this project will be carried out to investigate the range-angle-fixed beampattern control and synthesis technique, explore its coupling mechanism and seek for the effective decoupling method. And these investigations will provide theoretical foundation for the critical technology breakthrough of the FDA system design, and then provides technical support for the medium or long-term modern electronic integrated system development of our country.

频率分集阵列电磁场空间分布相比传统相控阵变得更为复杂，表现在其波束不仅具有距离-角度依赖特性而且随着时间发生变化，其时变特性带来的非稳态发射方向图增加了系统控制和信号处理的复杂度。同时，频率分集阵列天线不仅面临阵元间隔离度的问题，而且不同的工作频率与天线发射组件之间存在交叉互耦，阵元间存在严重的耦合问题。.本项目将针对频率分集阵列天线电磁场空间分布特性描述复杂、空间波束控制与综合困难以及阵列天线间耦合严重的科学问题，开展频率分集阵列天线空间定向定距波束控制与综合技术研究，探索频率分集阵列天线电磁耦合机理，研究有效的频率分集阵列天线去耦合方法，为频率分集阵列天线系统设计关键技术突破奠定理论基础，为我国现代电子综合系统研制中长期发展规划提供技术支撑。

本项目主要针对频率分集阵列天线的关键技术开展了较为深入的研究工作，主要工作包括一维、二维及高维频率分集阵列空间波束距离-角度依赖问题、频率分集阵列定向定距波束形成、频率分集阵列方向调制技术、快速波束综合技术等方面。具体而言，主要研究成果如下：.在频率分集阵列天线波束特性研究方面：①建立并分析频率分集阵列天线的理论模型，通过分析阵元之间的相位差随阵元间距、频率步进量、和观测距离等参数的变化关系，建立了周期特性描述方法。②建立了平面频率分集阵列俯仰-方位-距离三维理论数学模型，同时提出了两种连续波体制的波束扫描实现方法。③针对频率分集阵列天线发射方向图随时间变化的这一问题，提出了一种脉冲体制频率分集阵列天线稳态波束形成与控制方法，并对其发射方向图特性进行理论分析与电磁仿真验证。.频率分集阵列天线定向定距波束控制与综合技术方面：①针对频率分集稀疏阵列综合问题，提出了一种基于激励扰动的改进迭代傅里叶算法，为了进一步提高综合算法的全局性，将遗传算法与改进的迭代傅里叶算法结合，提出了一种混合遗传改进迭代傅里叶算法。②开展频率分集阵列天线定向定距波束控制与综合技术研究。将发射功率集中于期望的俯仰-方位-距离三维空间位置，实现对期望区域的定点观测。③提出了频率分集阵列距离-角度二维平顶波束综合方法研究以及基于子频率分集阵结构的距离-角度解耦合二维波束综合方法。.共形频率分集阵列电磁耦合机理方面：①建立了共形频率分集阵列特有的俯仰-方位-距离三维空间波束辐射理论模型；②提出共形频率分集阵列俯仰-方位-距离维方向图解耦方法及时间维方向图稳态控制方法，完成了对共形频率分集阵列的低副瓣稳态空间聚焦波束形成的研究；③克服了当前对频率分集阵列研究过于理想，将波在空间的传播过程引入到阵列的特性分析，实现了良好的波束控制。.频率分集阵列方向调制方面：①提出了一种基于频率分集阵列无线通信方案，通过在发射端构建均匀圆环频率分集阵列，对其天线阵元的频率偏移量进行时间调制和非线性处理；②建立了存在幅相和频偏误差时频率分集阵列的通道误差数学模型，推导了频率分集阵列误差模型的方向图；③验证了频率分集阵列通道误差对方向调制通信系统性能的影响。